浅谈大型铝电解槽阴极母线维修技术

李元山

（酒钢集团甘肃东兴铝业有限公司，甘肃 嘉峪关 735100）

在电解铝生产中，因内衬砌筑施工或材料缺陷、启动后期管理不足及槽龄增加等因素，会造成铝电解槽渗漏或漏炉，该过程中损坏或熔断槽周阴极母线的现象非常普遍，严重时会导致铝电解槽或铝电解系列停运[1]。为了尽可能快的修复阴极母线，保证系列运行安全，最大限度地降低因修复阴极母线带来的经济损失，选择合理的母线修复方法就显得尤为重要了。

1 维修方法

破损阴极母线（包括阴极软带)修复时，根据母线破损部位和损毁程度，一般有压接式修复、停电焊接式修复、带电焊接式、高温铝液浇铸熔接式修复、药粉自蔓延焊接修复5种方法。上述几种修复方法，在实际应用过程中各有利弊。

1.1 压接式修复（俗称打夹板）

压接式修复方法与电解生产中的导电母线连接原理相同，适合作业空间大、母线截面积小、电流密度大、破损轻微、需要暂时处理（补欠或补强）的情况[2]。其优点是快速、不需停电即可操作，但该方式要求导电压接平面必须光滑平整；缺点是破损阴极母线可能与其他母线间距小，进而无法对压接平面进行铣削加工，只能打磨处理，会影响接触导电性能。图1为铝电解槽阴极母线压接式修复示意图。

1.2 停电焊接修复

停电焊接修复方式是铝电解槽阴极母线最早、也是最为传统的修复方式，一般在小型铝电解槽上应用，但随着槽型变大，一般不会在使用此种方法。

其具体内容是：在全电解系列停电情况下，利用铝焊片（铝板）及氩弧焊机对母线破损部位进行焊接。该过程中需要完成铝板准备、焊机安装及接电等工作，要求系列停电4小时甚至更长时间，往往造成上百万元经济损失（系列电流越大、槽台数越多，损失越高），并影响系列中的正常生产槽。该方式的优点是一劳永逸，可以一次性实现破损阴极母线的较高质量修复。

图1 铝电解槽阴极母线压接式修复示意图

1.3 带电焊接修复

铝电解系列带电情况下，阴极母线（槽周母线或槽底母线）所在的作业空间狭窄，槽底形成的磁场强度大，在阴极母线修复时，氩弧焊接过程中铝液飞溅严重，焊接质量无法保证，作业危险性大，且设备投资大，故此种修复方式不常用。

1.4 铝液浇铸熔接修复

铝液浇铸熔接修复方法是在阴极母线破损位置加装模具，利用高温铝液溶融破损断面、使破损母线重新融合。其优点是修复过程中，不需系列停电或铣削断面，适合于断口较大的阴极母线破损修复，具有修复成本低的特点；缺点是对施工温度、熔断面清理程度要求高，若浇铸过程处理不当，模具中铝液冷却后因体积收缩，会在破损部位形成空隙，给后续生产带来隐患。

1.5 药粉自蔓延焊接修复

药粉自蔓延焊接修复方式是在阴极母线破损位置安装的模具中，利用含铝药粉燃烧，形成高温铝液，使母线的两个断面融合。该方法适用于停槽或运行槽阴极母线断口较小、截面积较小的情况。

药粉自蔓延焊接修复方式的优点是断面融合效果好；缺点是对断面处理的要求高、修复成本高。

2 铝液浇铸熔接及药粉自蔓延焊接

论文重点介绍大型铝电解槽修复过程中常用的铝液浇铸溶解和药粉自蔓延2种修复方式。

2.1 铝液浇铸熔接修复

该方式适合截面积较大、断面破损较大的阴极母线修复。实施过程中需要把握3个重点环节：一是断面处理，二是模型制作与安装，三是浇铸温度的控制。

2.1.1 断面处理

（1）根据断面粘附电解质或铝的薄厚，用钢刷或风动工具打磨，使断面清洁无电解质或铝屑，再用煤油或丙酮刷洗断面的粉尘和氧化物。

（2）在母线两个断面处，可用电钻加工一些方向不规则的孔洞，孔洞要尽可能深、密。孔洞作用是在浇铸铝液时，高温铝液充满孔洞，形成类似锚钉的固定脚，在浇铸母线收缩过程中，这些“锚钉”可以起到减少收缩的作用。

2.1.2 模型制作与安装

（1）根据破损阴极母线截面宽度、长度确定模具钢板厚度。

铝液浇铸熔接修复方式多用于厚度为120mm、210mm以上母线，因此，建议钢板厚度采用16mm以上（根据空间大小）固定螺杆也采用M16以上；模型采用U型。

（2）模型钢板尺寸：底板为母线厚度+两块钢板厚度+余量（根据空间情况确定）。

（3）两侧板长度：母线破损口长度+200mm（根据空间情况确定）。

（4）两侧板宽度以破损母线宽度为准。若空间安装位置足够或便于安装，可将三块钢板焊接成型，直接安装在破损母线处并进行固定、封堵即可。实际情况下，阴极母线位置处大多空间狭小，因此焊接可由3块钢板活动安装，利用夹板及双头螺杆固定。

（5）夹板钢板尺寸：以16mm以上为好，宽度80mm以上，长度一般为母线宽度+100mm，数量为4块（两端开孔穿固定螺杆）。

（6）螺杆尺寸：母线厚度+两块夹板厚度+两螺帽（及垫片）厚度+余量

（7）模型安装

①为保证浇铸部分冷却凝固后补缩，安装时模型底面可比原母线低10mm左右，浇铸时上方液面比原母线高10mm左右，目的是补偿浇铸铝液冷却后的体积收缩（具体实施时，还要根据母线截面及破损长度大小调整）。

②模型封堵。模型钢板与破损母线之间的空隙，用高温玻璃腻子（水玻璃、石棉绒）密封（内外均进行封堵）。

③为缓解母线和铝液热量散失，降低铝液和母线间的温差，在模型处适当用石棉进行保温。

④模型与其他母线间加装绝缘材料。

2.1.3 浇铸漏斗

为保证施工人员安全，防止因铝液漏出造成的其他母线损坏，过程中可制作浇铸漏斗。

2.1.4 浇铸

（1）条件检查

①检查模型是否固定牢固、密封是否严实、与其他母线绝缘是否完好。

②检查灌铝漏斗是否安装到位、牢固。

③检查盛铝容器是否到位（断口大可用小抬包）（2）加热

①用丙酮清洗浇铸处端面，确保无粉尘。

②用燃油喷灯或烤枪将断口母线和铸模加热，使断口母线和铸模温度至少达到350℃以上。

（3）浇铸

①停止加热断口，确保铸模安装牢固，无大缝隙，即可进行浇铸。

②用盛铝容器将高温铝液注入漏斗，浇铸初期铝液流速不能过快，中期要加快浇铸速度，待模型中的液面较高时放慢速度，最后浇铸液面要高出原母线上平面5～10mm。该过程的重点是必须连续，不允许间断、停顿，一气呵成。

③浇铸出的母线一般通过自然冷却。通过此种方式修复后的铝电解槽，若不马上通电焙烧，应保证浇铸母线自然冷却。

2.1.5 检查、测量

（1）通电完毕后，应对浇铸部位作必要的检查和测量。一般通过压降测试设备测量其压降数据，若数据与正常槽相同位置无较大差异，则修复质量较好。

（2）安装模型和夹板时，修复母线与其他母线间要有良好绝缘，浇铸完成后为增强浇铸段母线的稳固性和联接强度，应长期保留。

2.2 药粉自蔓延焊接修复

2.2.1 停槽维修

以500kA铝电解系列为例，截面厚度为40mm、60mm、90mm、1200mm阴极母线及附属阴极软带常常由于漏炉事故被冲毁。实践证明，利用含铝药粉，将母线的两个断面融合到一起，能够达到恢复母线导电功能的效果。

2.2.2 预制母线

药粉自蔓延焊接修复主要适用于母线破损量较大，不便修复的情况。

利用直流焊机切割损毁母线的不规则断面，在预制相同规格母线及其附属软带和爆炸块的过程中，母线应比被切割部位短60mm～100mm(焊接过程中，存在4个断面、2处焊缝，焊缝宽度30mm～50mm)。

2.2.3 断面处理

（1）利用钢刷或风动工具，使阴极母线断面无电解质或铝屑，再用煤油或丙酮刷洗母线断面粉尘和氧化物。

（2）在破损母线两个断面上（包括预制母线），加工出一些方向不规则的孔洞，孔洞尽可能深、密。

2.2.4 安装固定

（1）将预制母线安装到母线破损位置，确保预制母线下部支撑牢靠，不位移，留出预制母线端面与破损母线断面间的缝隙。

（2）断口模型。断口模型制作步骤与铝液浇铸模型制相同。存在差异的地方是药粉自蔓延焊接修复过程中，模型为30mm～50mm宽的碳素材料。

（3）模型底板宽度为母线厚度（可为负公差），厚度为25mm～35mm。模型两侧板宽度按照预留口宽度+100mm（可为正公差）加工。

（4）模型安装。利用木方将模型板固定成U型，下部支撑牢靠不得位移。

（5）模型封堵。模型与母线间空隙，利用高温玻璃腻子内外封堵。

（6）为减少热量流失，降低铝液和母线温差，还需在模型处用石棉材料保温。

2.2.5 加热、焊接

（1）在清洁断面基础上，用烤枪将热预制母线、破损母线及模型处加热至350℃以上。

（2）焊接

①停止加热，确保铸模牢固。

②将盛药粉容器（坩埚）放置在模型上方，下口对准型腔，点燃药粉，完成焊接（过程中药量与型腔要匹配）。图2为药粉自蔓延焊接修复现场施工图。

图2 药粉自蔓延焊接修复现场施工图

2.2.6 检查与测量

（1）待修复部位冷却后，拆除炭素模型及木方。在铝电解槽重新启动前，需要对焊接部位作必要的检查和测量工作。

（2）对个别截面积较大的损毁母线，可在修复后用夹板作二次固定，过程中，做好夹板与其它母线间的绝缘。

3 结语

（1）针对铝电解槽损毁阴极母线的修复，各电解铝企业可结合本单位槽型、破损母线规格、位置，选择经济、可靠、安全的修复方式。

（2）针对处于生产状态、母线破损量较少的铝电解槽，可只作局部修复，方法与停槽大修时的情况类似。